Von Ionen bis „Superkondensatoren“: Digital zur Rettung der Stromspeicher

May 20, 2023

Forschungsdirektor bei Inria, Mitglied der Akademie der Wissenschaften, Inria

Forscher am Interuniversitären Zentrum für Materialforschung und -technik (CIRIMAT) in Toulouse, Toulouse INP, Universität Toulouse III-Paul Sabatier, Nationales Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS)

CNRS-Forschungsdirektor, Paris, Ecole Normale Supérieure (ENS) – PSL

Céline Merlet ist Mitglied des Network on Electrochemical Energy Storage (https://www.energie-rs2e.com/fr) und Mitglied des Vorstands des Vereins Femmes & Sciences (https://www. femmesetsciences.fr). /). Sie erhielt europäische Förderung mit dem ERC Starting Grant SuPERPORES (https://cordis.europa.eu/project/id/714581/fr).

Claire Mathieu und Serge Abiteboul arbeiten nicht für ein Unternehmen oder eine Organisation, die von diesem Artikel profitieren würde, beraten sie nicht, besitzen keine Anteile daran oder erhalten keine Finanzierung von diesen und haben über ihre akademische Anstellung hinaus keine relevanten Verbindungen offengelegt.

Inria und die École Normale Supérieure (ENS) stellen als Mitglieder von The Conversation FR finanzielle Mittel bereit.

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Ein neues „Interview rund um die IT“ in Zusammenarbeit mit Binaire, dem Blog zum Verständnis der Herausforderungen der Digitalisierung.

Céline Merlet ist Chemikerin und CNRS-Forscherin am Interuniversitären Zentrum für Materialforschung und -technik (CIRIMAT) in Toulouse. Sie ist Spezialistin für Multiskalenmodelle zur Beschreibung von Energiespeichermaterialien. Die Speicherung von Energie (z. B. Sonne oder Wind) wird zu einer großen wissenschaftlichen Herausforderung. Céline Merlet erzählt uns von Superkondensatoren, einer vielversprechenden Technologie.

Binary: Könnten Sie uns kurz etwas über Ihren Werdegang erzählen, der Sie zu einem Forscher in der Chemie und zu einer Bronzemedaille des CNRS 2021 geführt hat?

Céline Merlet: Zuerst habe ich nicht Chemie, sondern Biologie studiert. Ich habe eine Vorbereitung gemacht und wollte Tierarzt werden, aber während der Vorbereitung wurde mir klar, dass ich mich immer mehr für Chemie interessierte. Ich habe auch ein Programmierprojekt gemacht und fand es sehr lustig. Ich besuchte eine Ingenieurschule, Chimie ParisTech. Im zweiten Jahr absolvierte ich ein dreiwöchiges Praktikum zum Thema Modellieren von geschmolzenen Salzen, Salzen, die bei sehr hohen Temperaturen flüssig werden. Dort entdeckte ich die digitale Simulation realer Phänomene und verstand, dass ich meinen Weg gefunden hatte. Nach dem Chemiestudium ging ich zurück, um im selben Labor zu promovieren, in dem ich mein Praktikum absolviert hatte. Als Postdoc in England wurde ich 2017 am CNRS eingestellt.

CM : Aufgrund der Schwierigkeit, in Frankreich eine Stelle zu bekommen, und der Tatsache, dass ich in England gut etabliert war, habe ich mich auch dort beworben. Aber es gab den Brexit und das bestätigte meinen Wunsch, nach Frankreich zurückzukehren.

B: Sie sind Chemiker und Spezialist für elektrochemische Energiespeichersysteme mit komplexen Materialien. Könnten Sie Binärlesern erklären, was das bedeutet?

CM : Bei der elektrochemischen Energiespeicherung geht es um die Nutzung elektrochemischer Reaktionen zur Energiespeicherung. Die uns bekannten Systeme, die dies bewirken, sind die Batterien in Telefonen, Laptops und Autos. Batterien verwenden komplexe Materialien mit bestimmten Elementen wie Lithium, Kobalt und Nickel. Das Laden und Entladen des Geräts erfolgt durch den Anschluss an einen Stromkreis. Beim Laden und Entladen werden Materialien gewechselt. Dadurch können sie Energie speichern.

Mein Forschungsschwerpunkt liegt auf Superkondensatoren. In diesen Systemen haben wir zwei poröse Materialien, die Elektroden sind, die wir über einen externen Stromkreis miteinander verbinden. Wenn wir laden (oder entladen), werden geladene Moleküle in Löchern platziert oder treten im Gegenteil aus ihnen heraus. Es entsteht eine Ladungsspeicherung innerhalb des Materials. Aber auf ganz andere Weise als Batterien. Es findet keine chemische Reaktion statt. Es handelt sich um eine einfache Adsorption geladener Moleküle.

CM : Ich habe von den beiden Elektroden gesprochen, die mit dieser Lösung geladener Ionen in Kontakt stehen. Bei Superkondensatoren handelt es sich häufig um nanoporöse Kohlenstoffe. Die Poren haben etwa die Größe eines Nanometers (1 Millionstel Millimeter), was mit bloßem Auge nicht zu erkennen ist. Um zu verstehen, wie die Ionen in diese Kohlenstoffporen hinein und aus ihnen heraus gelangen, führe ich statt physikalischer Experimente und Mischungen im Labor numerische Experimente und Mischungen im Computer durch. Ich versuche zu verstehen, wie sich Ionen bewegen und was passiert, und zwar in einem Maßstab, der experimentell nicht erreicht werden kann.

CM : Ja, um die Flugbahn von Ionen und ihre Bewegung zu modellieren, muss man verstehen, was passiert. Wenn wir einen Ball werfen, können wir aus der Angabe der Kräfte, die wir zu Beginn anwenden, die Flugbahn ableiten. Das Gleiche gilt für Ionen. Wir wählen den Ausgangspunkt. Wir wissen, welche Kräfte wirken, die Kräfte der Anziehung und der Abstoßung. Wir haben Einschränkungen wie die Tatsache, dass ein Molekül nicht in ein anderes eindringen kann. Dies ermöglicht es uns, die Entwicklung des Molekülsystems im Laufe der Zeit zu berechnen. Manchmal muss man das nicht einmal sehr genau darstellen. Wenn selbst eine grobe Modellierung durch Experimente validiert wird, haben wir das Ergebnis, das wir gesucht haben. In meinem Labor, dem CIRIMAT, gibt es hauptsächlich Experimentatoren. Wir sind nur 4 oder 5 Theoretiker auf Festanstellungen. In meinem Team arbeiten Forscher direkt an realen chemischen Systemen und wir lernen viel durch den Theorie-/Experimentaustausch.

CM : Bei diesen numerischen Simulationen werden einige hundert bis einige tausend Atome berücksichtigt. In einem realen Experiment sind es mindestens 1024 Atome. (Ein Milliliter Wasser enthält bereits 1022 Moleküle.)

CM : Wir nutzen Simulationstricks, um herauszufinden, was in der Realität passiert. Ein Teil meiner Arbeit besteht darin, Modelle zu entwickeln, um die Verbindung zwischen der molekularen Skala und der experimentellen Skala herzustellen. Wenn wir den Maßstab ändern, können wir bestimmte Elemente integrieren, aber andere Informationen auf molekularer Ebene gehen verloren.

B: Mit welchen Hindernissen mussten Sie sich bei diesen Simulationen von Kohlenstoffelektroden in Modell-Superkondensatoren im Betrieb auseinandersetzen?

CM : Auf molekularer Ebene gibt es noch Fortschritte zu machen, und leistungsfähigere Computer könnten helfen. Materialien leiten Elektrizität, Modelle gehen davon aus, dass Kohlenstoffe vollkommen leitend sind, in Wirklichkeit sind sie es aber nicht. Für eine bessere Darstellung sollte die halbleitende Natur dieser Materialien berücksichtigt werden und einige Forscher arbeiten derzeit an diesem Aspekt.

Um Materialien zu erhalten, die es uns ermöglichen würden, mehr Energie zu speichern, müssten wir die mikroskopischen Eigenschaften, die einen Einfluss auf unsere Interessen haben, besser verstehen und molekulare Ergebnisse analysieren, um zu versuchen, allgemeine Trends zu ermitteln. Wenn wir beispielsweise zwei Flüssigkeiten haben, die unterschiedliche Ionen haben, stellen wir Mischungen her; Wir können brutal viele Mischungen ausprobieren und für jede einzelne Simulationen durchführen, oder wir können nur wenige machen und versuchen, von einer Mischung zur anderen zu verstehen, warum beispielsweise der Diffusionskoeffizient unterschiedlich ist, und so vorhersagen, was für jede Mischung passieren wird. Je besser wir verstehen, was passiert, desto weniger ist es notwendig, eine molekulare Modellierung anhand einer großen Anzahl von Beispielen durchzuführen.

B: Sie haben die Auszeichnung „2021 Price Ada Lovelace“ für High Performance Computing (HPC) erhalten. Präsentieren Sie sich eher als Chemiker oder als HPC-Spezialist?

CM : Ich stelle mich nicht als Spezialist für HPC-Computing dar, aber meine Aktivitäten erfordern den Zugang zu leistungsstarken Computern und erhebliche Kenntnisse in diesem Bereich. Ein Teil meiner Arbeit bestand darin, bestimmte Programme zu verbessern, um sie auf Supercomputern nutzen zu können. Die Ermöglichung von Berechnungen auf Supercomputern eröffnet Forschungsperspektiven und ist ein Beitrag zum HPC-Computing.

CM : Superkondensatoren werden bereits in Start-Stopp-Systemen von Autos eingesetzt. Es wird auch in Hybridbussen verwendet: Wir platzieren Superkondensatoren auf dem Dach des Busses, und jedes Mal, wenn er anhält, laden wir diese Superkondensatoren auf und verwenden sie, um den Bus neu zu starten. Dadurch können bis zu 30 % Kraftstoff eingespart werden. Es stellen sich Fragen: Könnten wir mehr Energie speichern? Könnten andere Materialien verwendet werden?

B: Wir wissen, dass die Akkus unserer Telefone ziemlich schnell schwächer werden. Könnten wir sie durch Superkondensatoren ersetzen?

CM : Obwohl Batterien mehr Energie speichern als Superkondensatoren, verschlechtern sie sich mit der Zeit stärker. Nach einer Weile verfügt das Mobiltelefon nicht mehr über die gleiche Autonomie wie beim Kauf. Ein Superkondensator kann sehr oft sehr schnell geladen und entladen werden, ohne dass er beschädigt wird. Da die Energiemengen, die sie speichern können, jedoch viel geringer sind, können wir uns nicht vorstellen, dass Standard-Superkondensatoren Batterien ersetzen können. Vielmehr werden die beiden Technologien als komplementär angesehen. Und dann kann die Grenze zwischen Superkondensator und Batterie etwas verschwimmen.

B: Sie sind im Bereich „Frauen und Wissenschaft“ aktiv. Können Sie uns sagen, was Sie dort machen und warum Sie es tun?

CM : Ich beobachte, dass wir von der Gleichstellung der Geschlechter noch weit entfernt sind. In der Chemie sind Frauen recht gut vertreten. In meinem Labor, das gut mit nationalen Beobachtungen übereinstimmt, sind 40 % Frauen. Aber in der Wissenschaft im Allgemeinen gibt es nur wenige davon.

Ein Ziel von „Frauen und Wissenschaft“ ist es, junge Menschen und insbesondere Mädchen für eine wissenschaftliche Karriere zu begeistern. Ich bin im Vorstand, verantwortlich für die Website und koordiniere mit anderen Menschen die Aktivitäten in der Region Toulouse. Ich beteilige mich intensiv an Interventionen mit Schulkindern, in Oberstufen- oder College-Klassen: Wir sprechen über unsere Hintergründe oder wir veranstalten Workshops zu Stereotypen, kleine Workshops, um junge Menschen für Stereotypen zu sensibilisieren, um zu verstehen, was es ist und was es für die Karriere bedeuten kann Entscheidungen.

Im Jahr 2019 haben wir ein Spiel, Mendelejew, zur Feier des 150-jährigen Bestehens der periodischen Klassifizierung der Elemente durch Mendelejew entwickelt. Wir nutzen es, um historische oder zeitgenössische Wissenschaftlerinnen hervorzuheben: Wir haben eine Tabelle und entdecken sowohl die Nützlichkeit der Elemente als auch die Wissenschaftlerinnen, die an diesen Elementen gearbeitet haben. Wir digitalisieren dieses Spiel.

Darüber hinaus führt der Verein viele weitere Aktionen wie Ausstellungen, Broschüren usw. durch.

CM : Ich liebe Programmieren. Da ich jedoch viel Zeit mit Coaching, Reisen und der Teilnahme an Meetings verbringe, habe ich weniger Zeit, dies selbst zu tun. Ich bin der Doktorand, der das macht. Je nach Können und Appetit programmiere ich mehr oder weniger.

B: Woher kommen die Doktoranden, die sich Ihrem Team anschließen? Sind sie überhaupt Chemiker?

CM : Viele kommen aus der ganzen Welt: Marokko, Griechenland, Indien. Sie sind Physiker oder Chemiker. Ich habe sogar einen Informatikstudenten in L3, der ein Praktikum bei mir macht.

B: Gibt es Forschungsthemen in der Informatik, die Ihnen besonders am Herzen liegen?

CM : Im Moment fragen wir uns, was maschinelles Lernen für unser Forschungsgebiet bringen könnte. Für die Modellierung müssen wir beispielsweise die Wechselwirkungen zwischen Partikeln kennen. Kollegen versuchen herauszufinden, ob wir Kraftfelder automatisch lernen könnten. Da wir nicht in der Lage sind, diese Probleme anzugehen, arbeiten wir mit Informatikern zusammen.